Optogenetic Stimulation of Adrenergic C1 Neurons Causes Sleep State–Dependent Cardiorespiratory Stimulation and Arousal with Sighs in Rats

Abstract

Rationale: The rostral ventrolateral medulla (RVLM) contains central respiratory chemoreceptors (retrotrapezoid nucleus, RTN) and the sympathoexcitatory, hypoxia-responsive C1 neurons. Simultaneous optogenetic stimulation of these neurons produces vigorous cardiorespiratory stimulation, sighing, and arousal from non-REM sleep.Objectives: To identify the effects that result from selectively stimulating C1 cells.Methods: A Cre-dependent vector expressing channelrhodopsin 2 (ChR2) fused with enhanced yellow fluorescent protein or mCherry was injected into the RVLM of tyrosine hydroxylase (TH)-Cre rats. The response of ChR2-transduced neurons to light was examined in anesthetized rats. ChR2-transduced C1 neurons were photoactivated in conscious rats while EEG, neck muscle EMG, blood pressure (BP), and breathing were recorded.Measurements and Main Results: Most ChR2-expressing neurons (95%) contained C1 neuron markers and innervated the spinal cord. RTN neurons were not transduced. While the rats were under anesthesia, the C1 cells were faithfully activated by each light pulse up to 40 Hz. During quiet resting and non-REM sleep, C1 cell stimulation (20 s, 2-20 Hz) increased BP and respiratory frequency and produced sighs and arousal from non-REM sleep. Arousal was frequency-dependent (85% probability at 20 Hz). Stimulation during REM sleep increased BP, but had no effect on EEG or breathing. C1 cell-mediated breathing stimulation was occluded by hypoxia (12% FI O 2 ), but was unchanged by 6% FI CO 2 .Conclusions: C1 cell stimulation reproduces most effects of acute hypoxia, specifically cardiorespiratory stimulation, sighs, and arousal. C1 cell activation likely contributes to the sleep disruption and adverse autonomic consequences of sleep apnea. During hypoxia (awake) or REM sleep, C1 cell stimulation increases BP but no longer stimulates breathing.Keywords: EEG; hypoxia; medulla oblongata; respiration; rostral ventrolateral medulla At a Glance CommentaryScientific Knowledge on the Subject: The C1 neurons are important lower brainstem nodal points for the control of sympathetic tone to cardiovascular organs. At rest, the function of these neurons is to minimize blood pressure fluctuations, but they are powerfully activated by carotid body stimulation and increase blood pressure in response to hypoxia.What This Study Adds to the Field: This optogenetic study in rats shows that selective activation of the C1 neurons increases breathing as well as blood pressure and faithfully produces sighs and arousal from non-REM sleep. C1 neuron activation therefore reproduces most of the effects of hypoxia, including arousal. These observations suggest that the C1 neurons could contribute both to sleep disruption and to the adverse cardiovascular effects of apneas.

Neurônios catecolaminérgicos do tronco encefálico participam dos ajustes respiratórios induzidos por hipóxia e hipercapnia.

“…Dentre as regiões encefálicas identificadas estão os grupamentos catecolaminérgicos bulbares e pontinos: A1, A2, A5, A6 (locus coeruleus) e A7, o núcleo motor dorsal do vago (DMV), o núcleo parabraquial (PBN), a substância cinzenta periaquedutal (PAG), a rafe bulbar, o núcleo paraventricular do tálamo (PVT), os núcleos hipotalâmicos paraventricular (PVN) e dorsomedial (DMH) e a coluna respiratória ventral (VRC) (Hokfelt et al, 1973;Hokfelt et al, 1974;Card et al, 2006;Depuy et al, 2013;Guyenet et al, 2013;Burke et al, 2014;King et al, 2015;Stornetta et al, 2016;Kang et al, 2017). Embora as conexões individuais entre os neurônios C1 não estejam completamente esclarecidas, tem sido fortemente aceito que estas células, incluindo os neurônios C1 pré-motores simpáticos, são capazes de manter conexões simultâneas com outras regiões encefálicas, incluindo os neurônios da coluna respiratória ventral (Card et al, 2006;Burke et al 2014;King et al, 2015;Kang et al, 2017). Tal hipótese é suportada por duas evidências funcionais: 1)  45% dos neurônios C1 com projeções bulbo espinais podem ser antidromicamente ativados por outras regiões encefálicas, como a PAG ou o PBN (Haselton, Guyenet, 1990) e 2) a estimulação optogenética de neurônios barossensíveis que compõem o grupamento C1 promove ativação de neurônios envolvidos no controle respiratório, localizados na região do RTN e do BötC (Burke et al, 2014).…”

“…Embora as conexões individuais entre os neurônios C1 não estejam completamente esclarecidas, tem sido fortemente aceito que estas células, incluindo os neurônios C1 pré-motores simpáticos, são capazes de manter conexões simultâneas com outras regiões encefálicas, incluindo os neurônios da coluna respiratória ventral (Card et al, 2006;Burke et al 2014;King et al, 2015;Kang et al, 2017). Tal hipótese é suportada por duas evidências funcionais: 1)  45% dos neurônios C1 com projeções bulbo espinais podem ser antidromicamente ativados por outras regiões encefálicas, como a PAG ou o PBN (Haselton, Guyenet, 1990) e 2) a estimulação optogenética de neurônios barossensíveis que compõem o grupamento C1 promove ativação de neurônios envolvidos no controle respiratório, localizados na região do RTN e do BötC (Burke et al, 2014).…”

“…Considerando o conjunto de evidências (anatômicas e funcionais) uma das hipóteses do presente estudo é que os neurônios C1 podem se comunicar diretamente, por meio de arborizações, com neurônios localizados na coluna respiratória ventral Burke et al, 2014;Kang et al, 2017), como o BötC, o preBötC, o rVRG, o cVRG, RTN e/ou pFRG, promovendo ajustes respiratórios via ativação de receptores glutamatérgicos ou adrenérgicos localizados nestas regiões e contribuindo para os ajustes respiratório promovidos pela hipóxia e pela hipercapnia.…”

“…quanto da estimulação aguda dos catecolaminérgicos do grupamento C1 (Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010;Marina et al,2011;Abbott et al, 2012;Burke et al, 2014;Menuet et al, 2017;Wenker et al, 2017). Os primeiros estudos avaliaram os efeitos da ativação seletiva dos neurônios C1 (optogenética) sobre os parâmetros cardiovasculares e demonstraram que a ativação optogenética do grupamento C1 promove um aumento expressivo da pressão arterial e da atividade simpática, tanto em animais anestesiados (Abbott et al, 2010) quanto em animais não anestesiados (Kanbar et al, 2010), reproduzindo os efeitos observados com as técnicas convencionais de estimulação quimíca ou elétrica do RVLM (Abbott et al, 2010;Kanbar et al, 2010).…”

“…Os autores demonstraram que a intensidade das respostas cardiovasculares promovidas pela estimulação dos neurônios catecolaminérgicos do grupamento C1 era menor quando realizada durante o sono REM . Em um estudo subsequente, e ainda mais seletivo (ativação optogenética dos neurônios C1 em ratos DH-cre), os autores demonstraram que os neurônios C1 são determinantes para o controle pressórico durante todos os estados: sono REM, sono não REM e vigília, quanto só contribui para o controle da frequência cardíaca durante o sono não REM e a vigília (Burke et al, 2014).…”